振動感測器
基礎知識和技術

基礎知識和技術

什麼是振動？

振動或振盪是指具有某些重複特徵的物體的週期性運動。

在數學上，諧波振盪可以使用正弦函數描述。這些是影響振盪的一些變量：

週期 T 是完成一個完整週期所需的時間。週期的倒數稱為頻率 (f = 1/T)。在電動機速度為每分鐘 3,000 轉時，每 20 ms (週期 T) 重複旋轉一次，對應 50 Hz 的頻率。

幅度 A 是指振盪距平衡位置的最大位移。可以使用與幅度相關的不同概念。除了經典的峰值 (= 幅度、峰值) 之外，均方根 (= RMS 值) 和振動幅度 (= 2x 幅度、峰值) 是兩個常見的指標。

相位是指週期性現象的時間位移，例如從參考點出發的正弦曲線 (如編碼器的脈衝)。就我們來說，相位是平衡旋轉系統以確定配重位置的重要指標。

實際上，許多不同的諧波振盪會重疊，這就是為什麼時間信號中通常無法再可識別各個正弦函數的原因。

時域與頻域

時域

在時域分析振動時，將複雜的疊加振動訊信號繪製在時間軸上。時間信號中出現的主要瞬態信號或模式可用於得出有關損壞的結論。
例如，早期的軸承損壞會在時間信號中產生針狀週期性幅度。

RMS (均方根) 和峰值是時域常用的狀態參數。
例如，在振動監控中，振動速度的均方根 (v-RMS) 用於不平衡、未對準和鬆動，而振動加速度的均方根 (a-RMS) 用於齒輪或軸承的摩擦或潤滑不足。
峰值的常見指標是振動加速度 a-peak 的峰值，它代表瞬態事件，例如由於軸承損壞或機器突然崩潰。

頻域

在頻域分析振動時，使用快速 Fourier 變換 (FFT) 將複雜的疊加時間信號分解為其不同的頻率分量和幅度。因此可快速、清晰地識別主頻，例如振動混合體中的不平衡頻率。

FFT 的一種特殊形式是包絡曲線頻譜 (= H-FFT)，其中刺激系統自然頻率的週期性衝擊脈衝 (例如滾動軸承損壞) 相應地予以解調和預過濾。特別是對於滾動軸承或複雜的機器運動 (例如齒輪)，H-FFT 分析的優勢是可以清楚地識別損壞部件的重複衝擊脈衝頻率。

寬頻與窄頻測量

寬頻測量

寬頻測量記錄並分析信號的整個頻率範圍，包括所有頻率分量。測量在較寬的頻率範圍內進行 (例如 2...1000 Hz)，並據此計算狀態參數 (例如振動速度 v-RMS 的均方根) 並即時傳輸以進行狀態監控。

窄頻測量

窄頻測量僅在狹窄的頻率範圍或整個頻譜內的特定頻率中進行。它們通常用於對特定頻率分量 (例如滾動軸承的軸承頻率) 或特定頻率範圍特別感興趣的情況。

不同的振動參數及其含義

振動位移 d

振動位移即測量點離開原始靜止位置的實際距離。此參數用於偵測應用中的循環運動，例如輸送機運動或振動輸送機的阻尼元件的狀態。通常，在 500 Hz 以下的頻率範圍記錄振動位移。

振動速度 v

振動速度，尤其是 RMS 值，是衡量作用於機器上的能量的絕佳指標。不平衡、鬆動、未對準或尤其是皮帶問題會導致 v-RMS 升高。這些應用的頻率範圍通常為 2...1000 Hz (根據 ISO 10816-3 或 ISO 20816-3)。

振動加速度 a

高頻寬頻特徵值 (例如 a-peak 或 a-RMS) 是軸承損壞、摩擦或氣蝕的既定指標。特別是在損壞的早期階段，高頻加速度峰值不在 ISO 20816 頻率範圍內。因此，振動加速度作為早期軸承損壞或齒輪故障引起的短瞬態衝擊脈衝的早期預警指標特別有用。

峰值係數

振動加速度測量的一個特殊參數是峰值係數。其計算方法為峰值除以 RMS 值：
峰值係數 = a−peak / a−RMS

峰值係數對於評估軸承損壞很有用。特別是在軸承損壞的早期階段，滾動元件週期性地穿過點蝕會造成短暫的振動衝擊。這些衝擊脈衝將導致 a-peak 升高。然而，在此階段，a-RMS 值將保持相對較小。隨著損壞的進展，點蝕的頻率和衝擊脈衝的強度將增加，導致 a-RMS 升高。特別是在高 a-peak 和低 a-RMS 值之間的初始階段，峰值係數是早期識別軸承損壞的有用附加指標，因為峰值係數在此階段也必須很高，並且會隨著 a-RMS 的升高而逐漸下降。

BearingScout™ 參數

BearingScout™ 參數可用於分析軸承。它是一種特殊形式的包絡解調 (相當於 H-FFT)。與傳統的 H-FFT 相比，計算週期僅為幾毫秒。可以使用用於軸承分析的窄頻參數或用於齒輪問題的寬頻參數。

單軸測量與多軸測量

在大多數應用中，單軸振動測量就足夠了，因為主要振動發生在軸的徑向方向上。
然而，3 軸測量在功能、靈活性和成本方面具有決定性的優勢。

例如，根據運動學和機器結構，機器的剛度在軸向、水平或垂直方向上的強度和特性可能不同。3 軸測量提供安裝靈活性，並有針對性地捕捉所有三個維度，同時考慮到不同的振動刺激。
此外，某些機器幾何形狀和故障模式對損壞演變的方向有很大影響。例如，軸未對準可能在軸向或徑向占主導地位，或者對於某些機器幾何形狀，不平衡/衝擊可能具有不同的主導方向。